能量中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究與應(yīng)用.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)在當(dāng)今社會(huì)中的使用范圍越來越廣，但是各種各樣的因素限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用，其中最主要的限制因素便是傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶能量有限且很難補(bǔ)充。傳感器節(jié)點(diǎn)只能由容量有限的電池來供能，并且長期處于無人值守的狀態(tài)下工作，因此不可能通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量。要想延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命，從周圍環(huán)境中采集能量是一種行之有效的途徑。目前主要采用溫差、壓力或震動(dòng)、電磁

2、波能量以及太陽能等方式來從環(huán)境中捕獲能量。
　　能量和信息都是通過無線電波來傳輸?shù)模诒疚闹邢騻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)傳輸能量的方式是基站通過微波進(jìn)行遠(yuǎn)場輻射。能量基站在中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰繒?huì)衰減的很快，而基站本身從硬件配置、施工周期、位置選定以及構(gòu)造成本等方面也決定了不可能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)重復(fù)建設(shè)基站，因此需要一種結(jié)構(gòu)簡單且可以放大電磁波功率的節(jié)點(diǎn)來解決傳輸過程中的能量損耗大導(dǎo)致傳輸距離有限的問題。本文為了解決這一問題，提出了引進(jìn)能量中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)(Po

3、wer Transfer Node，PTN)的方法來嘗試增加基站的能量傳輸距離和提高WSN節(jié)點(diǎn)接收到的能量。所謂的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)就是一個(gè)將能量基站發(fā)出來的電磁波在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行能量補(bǔ)充來放大發(fā)射功率的裝置，類似于一個(gè)無線通信中的功率放大器，從而提高傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的能量，來滿足節(jié)點(diǎn)日常的工作需求，延長WSN的工作生命周期。
　　為了研究WSN中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)供能問題，首先描述了能量中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)單元和能量傳輸模型，類比無線通信系統(tǒng)中

4、的利用功率放大器來增加發(fā)出的信號強(qiáng)度，本文提出了使用中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)放大電磁波功率的方式來放大電磁波的發(fā)射功率，進(jìn)而增加目的節(jié)點(diǎn)接收的能量。由于中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的位置不同，導(dǎo)致其接收到能量基站的瞬時(shí)功率不同，進(jìn)而發(fā)射出去的功率也不同，且傳輸過程中的能量損耗也隨著傳輸功率的變化而變化，因此先把中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到只有一個(gè)能量基站和一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的簡單能量傳輸模型中，并對這一模型的相關(guān)問題進(jìn)行了仿真研究。通過仿真和分析，得出了在能量基站和工作節(jié)點(diǎn)的位置恒定不變且能

5、量基站的發(fā)射功率不變時(shí)，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在中間距離時(shí)能量傳輸效率比最低。隨著中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)靠近能量基站或者靠近工作節(jié)點(diǎn)，能量傳輸效率比逐漸增加。這說明在工作節(jié)點(diǎn)距離能量基站較遠(yuǎn)而接收到的能量無法滿足其正常工作時(shí)，應(yīng)在距離能量基站較遠(yuǎn)處引入中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)來提高工作節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。
　　為了研究中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用場景，本文在WSN中引入了能量基站和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，提出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)供能協(xié)議，針對節(jié)點(diǎn)的能量覆蓋率和存活率進(jìn)行了仿真分析。通過對